太湖流域粳稻群體遺傳結(jié)構(gòu)分化和亞群特異性分析

胡慧安 王洋

摘 要：目的：研究太湖流域粳稻群體的遺傳結(jié)構(gòu)分化以及不同生態(tài)亞群的遺傳多樣性、特異性及其相互關(guān)系，為太湖流域親本遴選提供遺傳背景依據(jù)。方法：從太湖流域823份地方品種構(gòu)成的核心種質(zhì)中篩選出58份品種和36份育成品種構(gòu)成代表樣品，選用均勻分布12條染色體上的91個(gè)標(biāo)記，采用Structure Version2.2軟件，對(duì)粳稻群體遺傳多樣性、亞群遺傳分化及特異性進(jìn)行分析。結(jié)果：太湖流域粳稻群體由8類血緣組成，遺傳上可分為5個(gè)生態(tài)亞群，每個(gè)亞群的血緣構(gòu)成各不相同。不同的生態(tài)亞群中含有各自的特有和特缺等位變異，其中生態(tài)型Ⅲ特有等位變異數(shù)最多，對(duì)其他4個(gè)亞群其具有最多的補(bǔ)充等位變異。

關(guān)鍵詞：太湖流域；粳稻群體；群體分化；遺傳結(jié)構(gòu)；遺傳特異性

中圖分類號(hào) S511 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2016）13-0035-04

太湖流域的粳稻栽培歷史悠久，特定的地理環(huán)境和氣候條件，形成了該地區(qū)豐富的粳稻資源類型，成為培育優(yōu)良粳稻品種親本的源泉[1]。金偉棟曾對(duì)太湖流域823份粳稻地方品種資源19個(gè)農(nóng)藝性狀進(jìn)行了分析，結(jié)果表明太湖流域粳稻地方品種表現(xiàn)出豐富的表型多態(tài)性[2]。在此基礎(chǔ)上利用58對(duì)SSR引物進(jìn)行了太湖流域粳稻地方品種的遺傳多樣性分析，研究顯示太湖流域粳稻地方品種具有豐富的遺傳多樣性[3]。

把太湖粳稻資源看作一個(gè)（總）群體，根據(jù)抽穗期的不同，可分為不同的成熟期生態(tài)類型[4]。洪德林發(fā)現(xiàn)不同成熟期生態(tài)類型間雜質(zhì)F1既有近20%的產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)潛力，又有比較協(xié)調(diào)的整體農(nóng)藝性狀[5]。冷燕研究發(fā)現(xiàn)不同成熟期生態(tài)類型間品種配組能夠選育出產(chǎn)量高、品質(zhì)優(yōu)的雜交粳稻[6]。然而研究發(fā)現(xiàn)粳稻種質(zhì)資源遺傳基礎(chǔ)日趨狹窄，其中太湖流域不同生態(tài)類型間的遺傳差異也顯著減少[7]。分析不同生態(tài)類型間遺傳多樣性，發(fā)掘各亞群間等位變異特異性，能夠準(zhǔn)確掌握太湖流域粳稻品種的遺傳特點(diǎn)，將為不同生態(tài)類型親本的選配提供遺傳背景信息。但目前對(duì)太湖流域粳稻不同成熟期生態(tài)類型間遺傳結(jié)構(gòu)、特異性及其遺傳關(guān)系的研究尚無(wú)報(bào)道。為此，本研究將選取太湖流域不同成熟期生態(tài)類型代表性核心種質(zhì)和育成品種構(gòu)成一個(gè)自然群體，利用SSR標(biāo)記對(duì)不同生態(tài)類型的亞群的遺傳特征開(kāi)展分析，解析亞群間等位變異的特異性和互利關(guān)系，為太湖流域粳稻資源的有效利用提供研究基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料 由94份太湖流域粳稻種質(zhì)構(gòu)成，其中地方品種核心種質(zhì)58份和育成品種36份（表1）[8]，由南京農(nóng)業(yè)大學(xué)洪德林教授提供。按照抽穗期的早晚分為5個(gè)生態(tài)型，生態(tài)型Ⅰ為早熟中粳（8月1—10日抽穗），生態(tài)型Ⅱ?yàn)橹惺熘芯?月11—20日抽穗），生態(tài)型Ⅲ為遲熟中粳（8月21—31日），生態(tài)型Ⅳ為早熟晚粳（9月1—10日），生態(tài)型Ⅴ為中熟晚粳（9月10日以后）[9]，它們的材料數(shù)分別為14、13、31、15和21，各生態(tài)型及對(duì)應(yīng)的品種名稱見(jiàn)表1。

1.2 基因組 DNA提取及SSR擴(kuò)增本研究選用均勻覆蓋水稻12條染色體91對(duì)的引物，所用引物名稱及在染色體上的位置均參考文獻(xiàn)[9-12]，此處從略。PCR反應(yīng)混合液為10μL，含1μmol·L-1 DNA、0.7μmol·L-1引物對(duì)，0.2μmol·L-1 dNTPs，1μmol·L-1Buffer（free MgCl2），0.6μmol·L-1MgCl2，6.4μmol·L-1ddH2O及0.1μmol·L-1 Taq DNA 酶。PCR擴(kuò)增及染色過(guò)程同于文獻(xiàn)[8]。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法 每個(gè)SSR標(biāo)記等位變異分子量的測(cè)定：以DNAMarkerOne為標(biāo)準(zhǔn)，使用QuantityOne軟件進(jìn)行計(jì)算。太湖流域粳稻試驗(yàn)群體及亞群的遺傳多樣性測(cè)度及群體間的相互關(guān)系，利用下述方法進(jìn)行分析：

1.3.1 群體（亞群體）的多樣性分析 遺傳豐富度（genetic richness）指群體內(nèi)遺傳類型的多少，用群體內(nèi)等位變異的總數(shù)表示[13]。每個(gè)位點(diǎn)的多態(tài)性信息量PICi（polymorphism information content）和每個(gè)群體平均每個(gè)位點(diǎn)的雜合度He（mean heterozygosity per locus，也稱Nei's 基因多樣性指數(shù)）的計(jì)算方法同于文獻(xiàn)[14]，利用軟件PowerMarker version3.25來(lái)完成[15]。

1.3.2 群體間遺傳差異的分析 群體特有等位變異是指該群體具有而其他群體沒(méi)有的等位變異；群體的特缺等位變異該群體沒(méi)有的而其他各群體都有的等位變異[13]。比較群體間的遺傳關(guān)系的遠(yuǎn)近利用不同群體間的互補(bǔ)等位變異數(shù)。群體A有而群體B沒(méi)有的等位變異稱為群體A對(duì)群體B的補(bǔ)充等位變異數(shù)，群體A對(duì)群體B與群體B對(duì)群體A的補(bǔ)充等位變異數(shù)之和稱為A與B間互補(bǔ)等位變異數(shù)[13]。利用NTSYS 2.10程序，采用UPGMA（unweighted pair group method with average）方法對(duì)生態(tài)類型亞群間及亞群內(nèi)的品種間進(jìn)行聚類分析。其中品種間的遺傳相似系數(shù)GS，GS=2Mxy/（Mx+My）及品種間遺傳距離 GD，GD=1-GS的計(jì)算方法同于文獻(xiàn)[14]。

1.3.3 群體遺傳結(jié)構(gòu)分析 選用分布于12條染色體上遺傳距離較遠(yuǎn)的43個(gè)位點(diǎn)利用軟件Structure 2.2，進(jìn)行群體機(jī)構(gòu)分析，選取一個(gè)合適的K值并且畫出基于模型的群體遺傳結(jié)構(gòu)圖[16-18]。

2 結(jié)果與分析

2.1 太湖流域不同生態(tài)亞群遺傳結(jié)構(gòu)的特異性分析

2.1.1 不同成熟期生態(tài)類型亞群的遺傳多樣性 94份太湖流域資源群體中，利用91對(duì)SSR引物共檢測(cè)到467個(gè)等位變異，平均每個(gè)位點(diǎn)等位變異數(shù)為5.13個(gè)，變化范圍為2～11。表2顯示，5個(gè)不同生態(tài)類型中檢測(cè)到的等位片段數(shù)、位點(diǎn)平均PIC值和Nei's基因多樣性指數(shù)（He）。多樣性片段數(shù)和位點(diǎn)平均PIC值生態(tài)型Ⅲ亞群的最大，生態(tài)類型Ⅳ亞群的最??；基因多樣性指數(shù)生態(tài)型Ⅰ亞群高于其他四個(gè)亞群，最小的是生態(tài)類型Ⅳ亞群；遺傳距離變幅最大的是生態(tài)類型Ⅱ，最小的是生態(tài)類型Ⅳ亞群；上述結(jié)果表明在DNA水平上的生態(tài)型Ⅳ亞群遺傳多樣性小于其他4個(gè)生態(tài)類型群。

2.1.2 不同生態(tài)類型亞群的遺傳特異性和互補(bǔ)性 由表3可知：5個(gè)不同抽穗期生態(tài)類型亞群特缺等位變異數(shù)最多的是生態(tài)型Ⅳ（21），最少的是生態(tài)型Ⅴ（4）。特有等位變異數(shù)由高到低是生態(tài)型Ⅲ、生態(tài)型Ⅰ、生態(tài)型Ⅱ、生態(tài)型Ⅴ和生態(tài)型Ⅳ；說(shuō)明生態(tài)型Ⅲ中的粳稻品種具有較高的特異性，且特缺的等位變異也相對(duì)較少（6）。

表4為不同生態(tài)類型亞群間的補(bǔ)充等位變異情況，可以看出不同生態(tài)型間具有較多的補(bǔ)充等位變異。生態(tài)類型Ⅲ對(duì)其他4個(gè)生態(tài)型的補(bǔ)充最多，說(shuō)明生態(tài)Ⅲ的材料具有較大的利用潛力。在5個(gè)不同生態(tài)類型中生態(tài)類型Ⅳ的特有等位變異較少，其他4個(gè)生態(tài)類型對(duì)其具有較多的補(bǔ)充等位變異，補(bǔ)充等位變異數(shù)最多的是生態(tài)型Ⅲ對(duì)生態(tài)型Ⅳ的補(bǔ)充，為125個(gè)（表4）。利用生態(tài)型Ⅲ品種資源來(lái)提高生態(tài)類型Ⅳ群體的等位變異數(shù)是最有效的。

2.2 太湖流域粳稻群體的遺傳結(jié)構(gòu)及其分化

2.2.1 太湖流域粳稻群體的遺傳結(jié)構(gòu) 利用Structure 2.2 軟件分析結(jié)果顯示太湖流域的94個(gè)粳稻品種資源可以劃分為8類血緣組成，從軟件分析提供的結(jié)果發(fā)現(xiàn)每類血緣中又不同程度地加入了其他血緣成份，表明太湖流域粳稻品種群體種質(zhì)來(lái)源明顯的異質(zhì)性和多元特性。

2.2.2 太湖流域粳稻品種群體的生態(tài)類型分化 8種血緣在五個(gè)不同生態(tài)亞群的分布情況，其中1～4個(gè)血緣在5個(gè)生態(tài)亞群中都有分布，第1類和第2類血緣主要分布在生態(tài)型Ⅲ、生態(tài)型Ⅲ和生態(tài)型Ⅴ中，第3類血緣主要分布在生態(tài)型Ⅱ和生態(tài)型Ⅲ中，第4類血緣主要分布于生態(tài)型Ⅱ和生態(tài)型Ⅲ中，從中發(fā)現(xiàn)一方面每個(gè)生態(tài)類型有其特定的遺傳組成，另一方面在品種不斷發(fā)展過(guò)程中有不同的種質(zhì)血緣的介入。

2.2.3 生態(tài)亞群的劃分與遺傳聚類 根據(jù)Nei遺傳距離，用“Neighbor-Joining tree”方法進(jìn)行太湖流域粳稻品種遺傳關(guān)系無(wú)根樹(shù)狀聚類見(jiàn)圖略，在遺傳相似系數(shù)為0.48處可以將太湖流域粳稻品種分為6個(gè)群體，通過(guò)[χ2]檢驗(yàn)，其結(jié)果顯示（見(jiàn)表5）不同生態(tài)類型亞群與SSR聚類亞群間有極顯著相關(guān)，說(shuō)明成熟期生態(tài)分群確有其相應(yīng)的遺傳基礎(chǔ)。每一遺傳聚類亞群以某些分生態(tài)亞群材料為主，不同遺傳聚類亞群包含的分生態(tài)亞群材料有所差異，不同生態(tài)亞群包含的聚類亞群構(gòu)成不同，尤以生態(tài)型Ⅴ為突出，生態(tài)型Ⅰ和生態(tài)型Ⅲ間主要體現(xiàn)在分布頻率的差異，說(shuō)明太湖流域生態(tài)亞群間在遺傳上存在較大差異。

太湖流域5個(gè)成熟期生態(tài)亞群分別以Nei遺傳距離利用“Neighbor-Joining tree”方法進(jìn)行聚類。圖1表明了不同生態(tài)類群的親緣關(guān)系。在遺傳相似系數(shù)0.57處，5個(gè)生態(tài)亞群可以明確區(qū)分開(kāi)來(lái)。其中生態(tài)型Ⅳ和生態(tài)型Ⅴ遺傳相似性最為接近，其次是生態(tài)型Ⅰ和生態(tài)型Ⅱ，生態(tài)型Ⅲ與生態(tài)型Ⅰ和生態(tài)型Ⅱ又較近于生態(tài)型Ⅳ和生態(tài)型Ⅴ，由此可見(jiàn)成熟期溫度相差較小的亞群遺傳相似高于成熟期溫度差異較大的亞群，推斷長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中穩(wěn)定的成熟期形成了太湖流域生態(tài)亞群特定的遺傳結(jié)構(gòu)。

[生態(tài)型Ⅰ][生態(tài)型Ⅱ][生態(tài)型Ⅲ][生態(tài)型Ⅳ][0.46][0.51][0.56][0.61][0.66]

圖1 太湖流域粳稻品種5個(gè)成熟期生態(tài)亞群的SSR聚類關(guān)系

3 討論

本研究的91個(gè)SSR標(biāo)記在太湖流域94分地方品種和育成品種中平均每個(gè)位點(diǎn)等位變異數(shù)為5.13個(gè)，變化范圍為2～11，其等位變異數(shù)高于東北地區(qū)推廣品種，也高于江蘇省和浙江省的育成品種，但低于云南地方品種和育成品種[19-23]。保護(hù)太湖流域粳稻品種豐富的遺傳多樣性，可為該地區(qū)粳稻育種提供親本資源。

太湖流域粳稻品種不同生態(tài)亞群與SSR標(biāo)記無(wú)根樹(shù)狀遺傳距離聚類間有顯著相關(guān)性，生態(tài)分群由于其環(huán)境選擇而產(chǎn)生的不同遺傳背景，形成了各不同生態(tài)亞群所具有的遺傳特質(zhì)，表現(xiàn)在血緣結(jié)構(gòu)及亞群間等位變異的不同，這也為亞群間種質(zhì)或基因交流的提供了遺傳基礎(chǔ)。

本研究發(fā)現(xiàn)5個(gè)不同生態(tài)亞群持有各自的特有和特缺等位變異，這為未來(lái)育種的目標(biāo)性狀上增添了變異，在利用已有的有利等位變異基礎(chǔ)上，拓展目標(biāo)性狀上的變異是育種者要把握的重要方向。

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